Die Entdeckung stellt wichtige Annahmen in der Kristallphotochemie auf den Kopf

Stimuli-responsive Materialien, deren physikalische Eigenschaften sich als Reaktion auf externe Stimuli wie Licht und Wärme ändern, werden umfassend als funktionelle Materialien der nächsten Generation untersucht. Insbesondere lichtempfindliche Materialien ziehen viel Aufmerksamkeit auf sich, da ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften ohne physischen Kontakt aus der Ferne moduliert werden können.

Als eines der photoresponsiven Materialien werden photomechanische Molekülkristalle, die aus Molekülen bestehen, die bei Lichteinstrahlung photochemische Reaktionen eingehen, aufgrund ihres einzigartigen photoresponsiven Verhaltens intensiv untersucht.

Anders als in Lösungen, in denen Moleküle unabhängig voneinander existieren, sind die Moleküle in Kristallen dicht und regelmäßig angeordnet, sodass die einzigartige Photoreaktionsdynamik in Kristallen berücksichtigt werden muss. Frühere Studien zu photoreaktiven Molekülkristallmaterialien gingen jedoch üblicherweise davon aus, dass Photoreaktionen in Kristallen wie in Lösungen ablaufen und der klassischen Photoreaktionskinetik folgen. Das Verständnis physikalisch-chemischer Eigenschaftsänderungen basierend auf der photochemischen Reaktionskinetik in Kristallen war daher ein Thema für die Weiterentwicklung dieses Forschungsgebiets.

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Kohei Morimoto, Doktorand im dritten Jahr an der Graduate School of Engineering der Osaka City University, und Dr. Daichi Kitagawa und Professor Seiya Kobatake an der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University hat entdeckt, dass Photoreaktionen in 2,5 -Distyrylpyrazin (DSP)-Kristalle breiten sich von jeder der Kanten des Kristalls zu seiner Mitte aus. Die Forschungsergebnisse wurden online in veröffentlicht Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie am 3. November 2022.

Wenn Licht gleichmäßig auf einen Kristall fällt, verläuft normalerweise auch die durch die Photoreaktion verursachte Farbänderung gleichmäßig. Die Forschungsgruppe fand jedoch heraus, dass die Farbänderung in DSP-Kristallen am Rand des Kristalls begann und sich zu dessen Zentrum fortsetzte, wodurch sich die Photoreaktion wie eine Welle ausbreitete.

Die Forschungsgruppe stellte fest, dass diese Ausbreitung der Farbänderung von Kante zu Mitte aus zwei Gründen erfolgt: einem Oberflächeneffekt, der die Reaktivität an den Kanten des Kristalls extrem hoch macht, und einem kooperativen Effekt, der auch die Reaktivität für Moleküle erhöht, deren Nachbarn haben schon die Farbe gewechselt.

„Dieses Phänomen, das von der konventionellen Vorstellung von Photochemie abweicht, ist von enormer Bedeutung dafür, wie wir die grundlegende Wissenschaft der Photoreaktionen verstehen“, sagte Dr. Kitagawa.

„In Zukunft möchten wir die Bedingungen klären, die für diese einzigartige Photoreaktion notwendig sind, und erforschen, wie sie verwendet werden können, um neue funktionelle Materialien zu schaffen, die sich dieses Phänomen zunutze machen.“